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CCSI

Die Chromatisch-konfokale Spektral-Interferometrie (CCSI) ist ein hybrides Verfahren zur schnellen Topographie-Messung ohne die Notwendigkeit eines mechanischen Axial-Scans. CCSI vereint dabei die Vorteile der Verstärkung und Präzision interferometrischer Verfahren mit der Robustheit der konfokalen Mikroskopie. Durch im Objektraum chromatisch aufgespaltene Foki und die spektrale Detektion des Weißlichtsignals wird eine one-shot Messung erreicht.

Bei der weit verbreiteten Spektral-Interferometrie (SI) ist der Messbereich durch die Schärfentiefe der verwendeten Objektive begrenzt. Da sowohl die Schärfentiefe als auch die laterale Auflösung von der Numerischen Apertur des Systems abhängen, muss immer ein Kompromiss zwischen einem großen Messbereich und einer hohen lateralen Auflösung gefunden werden. Durch die Kombination von chromatischer Aufspaltung und konfokaler Filterung wird die Beziehung zwischen Messbereich und lateraler Auflösung gelöst und so ein Sensor ermöglicht, der über eine hohe laterale Auflösung und gleichzeitig über einen großen Tiefenmessbereich verfügt. In Abbildung 1 wird dieser Sachverhalt anhand von Messungen an einem Beugungsgitter verdeutlicht. Um die eingeschränkte Tiefenschärfe eines konventionellen SI-Sensors zu zeigen, sind in Abbildung 1a Messungen eines solchen Gitters an verschiedenen axialen Positionen abgebildet. Es ist erkennbar, dass die Kanten des Gitters durch die abnehmende laterale Auflösung zunehmend unscharf werden, wenn das Objekt aus der Schärfentiefe heraus bewegt wird. Im Gegensatz dazu zeigt Abbildung 1b die gleiche Messung mit einem CCSI-Sensor gleicher Numerischer Apertur. Hierbei ist deutlich sichtbar, dass die laterale Auflösung des CCSI-Sensors unabhängig von der axialen Position des Gitters ist.

Neben den bisher beschriebenen CCSI- Sensoren, bei denen es sich um single-shot Punktsensoren handelt, wurde das Konzept der Kombination von SI und chromatischer Kodierung auf einen Liniensensor übertragen. Jeder Punkt der Linie wird mit einer eindeutigen Wellenlänge beleuchtet, wodurch das spektrale Signal punktweise die Objekt-Höhe entlang der beleuchteten Linie kodiert.

Signalverarbeitung CCSI

Ein großer Vorteil der CCSI ist, dass die Tiefenposition des untersuchten Objekts in der konfokalen Einhüllenden des Signals wie auch im interferometrischen Wavelet kodiert ist. Dabei sind anders als bei der Weißlichtinterferometrie beide Informationskanäle intrinsisch entkoppelt, was eine robustere Auswertung ermöglicht. Die konfokale Einhüllende kann beispielsweise durch eine einfache Schwerpunktsanalyse ausgewertet werden, erreicht aber nur die Auflösung der chromatisch konfokalen Mikroskopie und leidet unter den bekannten Artefakten. Die Auswertung der interferometrischen Information ermöglicht eine deutlich bessere Auflösung, scheitert aber an Unstetigkeiten und steilen Gradienten. Abbildung 1 zeigt den Vergleich beider Auswertungsmethoden (Abb. 1a), ebenso wie die Ergebnisse eines kombinierten Algorithmus, der die Vorteile beider Auswertungspfade kombiniert und so eine robustere Auswertung ermöglicht (Abb 1b).

Abb. 1a Abb. 1b

 

Veröffentlichungen

  1. Gronle, Marc; Lyda, Wolfram; Mauch, Florian; Osten, Wolfgang: Laterally chromatically dispersed, spectrally encoded interferometer. In: Applied Optics 50 (2011), Nr. 23, S. 4574
  2. Gronle, Marc; Lyda, Wolfram; Mauch, Florian; Osten, Wolfgang: Spectral Interferometry with Lateral Chromatic Encoding. In: 10th IMEKO Symposium : Laser Metrology for Precision Measurement and Inspection in Industry (LMPMI) 2011, VDI Verlag, 2011, S. 97–104
  3. Lyda, Wolfram; Fleischle, David; Haist, Tobias; Osten, Wolfgang: Chromatic confocal spectral interferometry for technical surface characterization. In: Proceedings of SPIE 7432 (2009), S. 74320Z–74320Z–9
  4. Lyda, Wolfram; Fleischle, David; Mauch, Florian; Haist, Tobias; Osten, Wolfgang: Vor- und Nachteile der chromatisch-konfokalen Spektralinterferometrie im Vergleich zur klassischen Spektralinterferometrie. In: 111. Jahrestagung, 2010 (DGaO-Proceedings), S. B31
  5. Lyda, Wolfram; Gronle, Marc; Fleischle, David; Mauch, Florian; Osten, Wolfgang: Advantages of chromatic-confocal spectral interferometry in comparison to chromatic confocal microscopy. In: Measurement Science and Technology 23 (2012), Nr. 5, S. 054009
  6. Lyda, Wolfram; Körner, Klaus; Osten, Wolfgang: Einsatz der chromatischkonfokalen spektralen Interferometrie (CCSI) zur Reduktion der Messunsicherheit bei chromatischkonfokalenTopografiemessungen. In: 109. Jahrestagung, 2008 (DGaO-Proceedings), S. P15
  7. Papastathopoulos, Evangelos; Körner, Klaus; Osten, Wolfgang: Chromatic confocal spectral interferometry - (CCSI). In: Osten, Wolfgang (Hrsg.): Fringe 2005, 2005, S. 694–701
  8. Papastathopoulos, Evangelos; Körner, Klaus; Osten, Wolfgang: Chromatic confocal spectral interferometry. In: Applied Optics Letters 45 (2006), Nr. 32, S. 8244–8252
  9. Papastathopoulos, Evangelos; Körner, Klaus; Osten, Wolfgang: Chromatically dispersed interferometry with wavelet analysis. In: Optics Letters 31 (2006), Nr. 5, S. 589–591
  10. Papastathopoulos, Evangelos; Lyda, Wolfram; Körner, Klaus; Osten, Wolfgang: Chromatisch-konfokale Spektral- Interferometrie (CCSI). In: VDI (Hrsg.): VDI-Berichte 1996 Bd. 1996. 2007, S. 309–318
  11. Boettcher, Tobias; Lyda, Wolfram; Gronle, Marc; Mauch, Florian; Osten,Wolfgang: Robust signal evaluation for chromatic confocal spectral interferometry. In: SPIE Optical Metrology 2013, Proceedings of SPIE, S. 87880W, SPIE, 2013.
  12. Boettcher, Tobias; Gronle, Marc; Mauch, Florian; Osten,Wolfgang: A more robust and flexible approach to laterally chromatically dispersed, spectrally encoded interferometry (LCSI). In: SPIE Photonics Europe 2014, Proceedings of SPIE, S. 913211-1, SPIE, 2014